基于双环混频光电振荡器的可调谐微波频率梳产生∗

麻艳娜 黄添添† 王文睿 宋开臣

1)(浙江大学生物医学工程与仪器科学学院,杭州 310027)

2)(浙江大学航空航天学院,杭州 310027)

(2018年8月23日收到;2018年9月30日收到修改稿)

1 引 言

光载微波系统是一种将无线通信和光纤通信相结合的系统,可以低成本地为移动用户提供更高容量、更大带宽和更高机动性的服务.其中光生微波技术是光载微波系统的关键技术[1−4]之一.由于无线通信系统基本采用多频率载波,采用单一光电系统同时实现光生多频率的微波载波无疑可以更高效、低成本地解决光载微波系统中的微波载波产生问题,是光载微波系统较为理想的解决方案.

目前,国内外均针对光生多载波技术展开了研究,阶跃恢复二极管[5−7]和光频率梳[8−11]两种方式均可产生光载微波频率梳,但前者限制于电学带宽且不易于调谐,后者需要通过外部调制光、锁模激光器或增益开关垂直腔表面激光器等复杂光学结构产生光载微波频率梳,而后经过光电转换.此外,通过半导体激光器的谐波频率注入锁定和光注入锁定方式产生光载微波频率梳也是常用的方法.Chan等[12]采用光电反馈和外部微波调制方式实现了半导体激光器谐波注入锁定,得到频率间隔328 MHz,带宽3 GHz的微波频率梳.Juan和Lin[13]通过外部光脉冲注入半导体激光器的方式实验产生低噪声、20 GHz带宽的微波频率梳信号,其中一阶单边带噪声为−65 dBc/Hz@50 kHz.Li等[14]首先通过电流调制的半导体激光器产生频率梳源,然后通过光注入方式提高微波频率梳特性,产生60 GHz超宽带可调谐微波频率梳,其中一阶单边带噪声低于−93 dBc/Hz@10 kHz,各阶单边带噪声均低于−86 dBc/Hz@10 kHz.

本文提出了一种基于双环混频光电振荡器(optoelectronic oscillator,OEO)的可调谐微波频率梳产生方案.该方案在OEO的基础上,采用两个高阶振荡信号混频取二者差频,注入直调激光器形成光电谐振结构.系统利用直调激光器的开关增益调制效应,产生光载微波频率梳信号输出.由于OEO系统产生的微波信号相位噪声低[15,16],倍频产生的光载微波频率梳信号也具有很高的信噪比.更重要的是,通过调节高阶倍频微波滤波器的中心带宽,可改变激光器调制频率,最终实现微波频率梳间隔的可调谐.实验产生了频率间隔797.4 MHz的稳定微波频率梳信号,信号相位噪声均低于−100 dBc/Hz@10 kHz.

2 理论分析

基于双环混频OEO的可调谐微波频率梳产生方案原理图如图1所示.实验中,OEO的光源来自于直调激光器DML.激光器经过高功率微波信号调制后生成光生多载波信号源.该光信号经过两个耦合器分束后,分为两路分别进行光电转换、微波放大、滤波和再放大,选取不同频率的倍频微波信号f1和f2.两路微波信号经过混频器M和低通滤波器LPF后,取差频∆f.差频信号∆f经过增益调节后重新注入直调激光器进行反馈调制,形成光电谐振腔.通过增益调节,工作于OEO系统中的直调激光器可产生低噪声的光载频率梳信号.

图1 光生微波频率梳实验原理图Fig.1 . diagram of optical-borne microwave comb.

实验方案的核心在于激光器的开关增益调制效应.相比于极化强度的衰减速率,半导体激光器的场衰减速率和粒子数反转的衰减速率要小得多,因此其系统的动力学特性可由场方程和粒子数反转方程表示为[17,18]

式中E为电场强度,N为激光器载流子密度,ν为无外部扰动情况下的激光器振荡频率,G(N)为增益函数,γε为光子衰减速率,γN为粒子数反转衰减速率,J为抽运电流.

若P(t)为激光器输出光功率,ν0为激光器输出光频率,φ(t)为激光器光场相位,则激光器的输出光脉冲的复振幅可以表述为

激光器的输出频率啁啾,即输出光频率与未被调制的光频率的瞬时偏差为

当直调激光器工作于延时光电反馈系统中时,正弦调制信号与激光器直流偏置相叠加,实现增益开关,半导体激光器的注入电流表示为

式中Ibias为偏置电流;Im为调制电流幅值;fm为微波调制信号频率.

因此反馈调制作用引起激光器的输出光强度和光频率改变,形成激光器的光电反馈混沌系统,出现光生多载波.此时激光器产生的电场变为[19]

式中E0为电场幅度;Te为光脉冲幅度在1/e处的脉冲宽度;α为等效调制系数,与半导体激光器的线宽增强因子直接相关,与直流光功率成正比,与调制微波调制信号频率fm成反比.

实验系统采用多级放大器结构,提高了环路增益,增加了激光器调制功率,使直调激光器始终被稳定的大功率微波信号调制,引入明显的啁啾效应.倍频滤波器的使用也使光生倍频载波信号的功率通过振荡器得到增强.

3 实验系统及测量结果

在OEO基本结构的基础上,实验采用了一个直调激光器DML、三个20 GHz带宽高速光电探测器PD、多个微波放大器EA、一个带通滤波器BPF(中心频率4 GHz,带宽30 MHz)、一个可调滤波器TBPF(中心频率2—10 GHz可调,带宽50 MHz)、一个混频器M和一个低通滤波器LPF(DC-2 GHz).另外,3个偏振控制器PC,两个偏振分束器PBS和两路单模光纤SMF构成偏振双环路结构,如图2所示.

直调激光器DML经过微波信号调制后的脉冲信号经光电耦合器OC1分为两路,一路先经过偏振双环路结构,然后由光耦合器OC2分为两路分别通过PD1,EA1,BPF,EA2和PD2,EA3,TBPF,EA4进行光电转换、微波放大、滤波和再放大,选择不同频率的倍频微波信号.两路微波信号经过混频器M和低通滤波器LPF后,取差频,经过EA5进行进一步微波放大后反馈调制直调激光器,形成光电谐振腔.耦合器OC1的另一路经过PD3和EA7实现光电转换和微波放大,输出微波频率梳信号.其中,偏振控制器PC、偏振分束/合束器PBS和长光纤SMF构成的偏振双环结构可以有效抑制起振时长腔谐振引起的边模,提高输出信号信噪比[20,21].

图2 实验系统搭建图Fig.2 .Setup of experimental system.

实验系统工作时,带通滤波器BPF为中心频率4 GHz的固定值滤波器,调节可调滤波器TBPF的中心频率至f1和f2的差频信号fm满足起振频率条件:即直调激光器的调制信号fm是该OEO系统的基频f0的倍频信号,BFP和TBPF两路微波滤波器提取的微波信号f1和f2是激光器调制信号fm的倍频信号.由于直调激光器的非线性特性,在微波调制作用下,直调激光器的输出可作为光生微波频率梳的种源,经过谐振腔反馈控制后,可提高载波的输出特性,实现稳定可靠的微波频率梳信号输出.

在偏振双谐振腔结构中,只有同时满足双谐振腔的频率才能起振,因此可有效抑制边模频率.图3即为可调滤波器滤波后的微波频率f2输出,从图中可以看到经过偏振双环路调整后的微波输出边模抑制比提高为47 dB.

图4为实验系统工作时输出的两路微波信号谱,其中(a)和(b)显示了通过带通滤波器BPF的微波信号f1输出,(c)和(d)显示了通过可调滤波器TBPF的微波信号f2输出.由相噪分析可知,由于OEO的低噪声特性,倍频微波滤波器选取的微波频率也具有良好的相噪性能.

将信号f1和f2经过混频和低通滤波取差频信号,放大后重新反馈回到直调激光器进行调制,增强激光器输出的频率梳性能.通过耦合器OC1、光电转换器PD3和微波放大器EA7可输出谐振腔内光载波上的微波频率梳信号,如图5可见,频率梳输出信号间隔为797.4 MHz,一阶相位噪声达到−74.9 dBc/Hz@1 kHz,−101.7 dBc/Hz@10 kHz,−115.2 dBc/Hz@50 kHz.

图3 偏振双环路OEO调节结果 (a)调节前的f2电谱输出;(b)调节后的f2电谱输出Fig.3 . Adjusting results of polarized dual-loop OEO:(a)f2frequency-domain output before adjusting;(b)f2frequency-domain output after adjusting.

图4 (a)f1微波信号输出功率;(b)f1微波信号相位噪声;(c)f2微波信号输出功率;(d)f2微波信号相位噪声Fig.4 .(a)Microwave signal f1power output;(b)microwave signal f1phase noise;(c)microwave signal f2 power output;(d)microwave signal f2phase noise.

图5 间隔为797.4 MHz的微波频率梳信号 (a)功率输出;(b)相位噪声测量(8点平均)Fig.5 .Microwave frequency comb with 797.4 MHz interval:(a)Power output;(b)phase noise measurement(average-8 point).

调节可调微波滤波器的中心频率,在满足谐振频率条件的情况下,可实现梳齿间隔可调谐的微波频率梳,如图5(a)和图6所示.但由于选择f1信号的是中心频率4 GHz固定滤波器,且需要满足两路微波滤波器提取的微波信号f1和f2是光上调制信号fm的倍频信号,因此调节频率点受限.若两路微波滤波器均为可调滤波器,则理论上可实现任意间隔的频率梳输出.

图6 间隔为998.6 MHz的微波频率梳信号功率输出Fig.6 .Power output of microwave frequency comb with 998.6 MHz interval.

4 结 论

基于直调激光器非线性动态特性,生成了低相噪的微波频率梳信号.在实验方案中,微波信号调制的激光器作为频率梳信号发生的种源,梳齿间隔即为调制频率.为了提高微波频率梳信号的性能参数,采用了两路高阶倍频滤波器滤出的3.9869 GHz和3.1895 GHz微波信号经过混频取差值进行反馈调制,提高了高阶倍频信号的转化效率.OEO的边模抑制则通过偏振双环结构实现.利用OEO的低相噪输出特性,在频率797.4 MHz,功率21 dBm调制信号反馈调制下,最终实验得到一阶相位噪声−74.9 dBc/Hz@1 kHz,−101.7 dBc/Hz@10 kHz,−115.2 dBc/Hz@50 kHz的微波频率梳信号.相比于半导体激光器的谐波频率注入锁定和光注入锁定方式,所得到的相位噪声指标有很大提高,实现10 kHz偏频处的相位噪声优于−100 dBc/Hz.由于频率梳高阶信号均由一阶797.4 MHz通过光上倍频得到,理论上也具有高信噪比.其中一阶频率到4阶频率的输出功率相差10 dB以内,5阶频率和13阶频率的输出功率相差10 dB以内,各阶信号的边模抑制比优于40 dB.

为了进一步提高系统的可调谐特性,可以将系统内两路微波带通滤波器均换成可调滤波器,实现调制频率的fm的任意可调谐.同时,通过调节环路增益和增加高速光电探测器的带宽等手段,也可进一步提高输出频率梳的功率均衡性和宽带宽特性.